双三相异步电动机直接转矩控制定子磁链观测的研究

曾令全,吴昊华,李华

(东北电力大学 电气工程学院,吉林 吉林 132012)

1 引言

双三相异步电动机是研究多相电机领域中重要的一部分,原理为将三相异步电机的60°相带绕组等分为2个相带,得到2套互差30°(电角度)、中点隔离的对称三相绕组[1]。转子为标准鼠笼型结构(见图1)。双三相异步电机特点为消除了6阶梯波电压源逆变器供电过程中,三相异步电机电磁转矩中存在的6次谐波脉动转矩,同时消除了气隙磁链中6k±1次谐波[2- 3]。从而降低了逆变器开关器件功率等级要求并提高其可靠性,在大功率/大电流研究中,应用多相驱动技术可使船舶推进,航空航天,电动/混合动力汽车领域中的驱动技术水平得到提高[4]。

图1 双三相异步电动机示意图Fig.1 Schematic of dual three phase asynchronous machine

本文研究的控制策略为直接转矩控制(DTC)方式[5]。三相异步电动机DTC控制技术可分为:DTC的磁滞控制技术(HC-DTC)和DTC脉宽调制技术(PWM-DTC)。

HC-DTC技术中包括了经典DTC理论,采用空间矢量的分析方法,直接在坐标系下计算并控制交流电机的转矩,采用定子磁场定向控制,借助于离散的两点式调节(Band-Band控制)产生PWM信号[6],直接对逆变器的开关状态进行最佳控制,以获得转矩的高动态性能。

PWM-DTC技术,优点为逆变器开关频率可以达到恒定,功率器件工作在开关饱和和导通状态时通过改变功率器件驱动脉冲信号/开通关断时间,从而调控负载两端平均电压大小,实现了电动机调压调速控制[7]。并通过预测算法控制定子电流形成正弦波,从而达到良好的控制效果[8]。

综上所述,本文将研究双三相异步电动机PWM-DTC技术,采用PI控制器由定子磁场实施同步控制[9]。

本文主要研究的内容为:电机模型、DTC控制策略、ASFO方法、仿真分析等。

2 电机模型

双三相异步电动机是一个六维空间系统,可以使用矢量空间分解(VSD)[10]的方法,使原始的六维空间立体系统通过变换矩阵[]能够分解成 3 个正交子空间(α,β),(μ1, μ2)和(z1,z2),其中基波分量被映射到(α,β)子空间,它们将提供气隙磁链和转矩。

k=6n±1次谐波(n=1,3,5,…)被转换成(α,β)子空间,这些谐波是 5,7,17,19次谐波,不利于气隙磁链(α,β)和()的子空间正交,零序分量的映射()子空间。异步电机的等效电路如图2所示。

图2 双三相异步电机的等效电路图Fig.2 Dual three phase asynchronous machine equivalent circuits

电机模型静止参照系可以归结为2个解耦方程相对应的电机子空间(α,β)和(μ1,μ2)。在电机模型里(α,β)子空间。

以上描述可用以下2个方程组表示

式中:ωr为转子角速度;p为电机极对数;Ψs,Ψr为定子和转子磁链为定子和转子自感;M为互感。

在电机模型中(μ1,μ2)子空间电压为

3 DTC控制策略

DTC控制主要目的是获得一个快速的响应结果,双三相异步电动机的HC-DTC驱动技术产生了含有高次谐波分量的电流,使其驱动控制造成了偏差,这是由于在()这两个子空间产生了电流谐波降低了驱动装置的效率。但利用PWM技术的预测算法与)子空间最小化电流结合起来用,可优化结果得到近似正弦的电流波形。双三相异步电机与三相异步电机的DTC原理类似,只是采用了PWM-DTC方法引入了PWM技术,可以采用三相常规方法系统控制原理如图3所示。

图3 双三相异步电动机DTC原理框图Fig.3 Block diag ram of dual three phase induction motor DTC scheme

在(d,q)同步坐标系与定子磁链矢量结合中,定子磁链的q轴分量 Ψqs等于零(即 Ψds=);转矩的表达式为q轴电流分量和定子磁链如下:

磁链和转矩调节原理框图如图4所示。

图4 磁链和转矩调节原理框图Fig.4 Block diagram of flux and torque regulators

图4中所得同步电压基准参照系指令和,其中前馈可添加到PI输出,提高动态性能。

在弱磁效应区的控制环节与转矩的辨识作用需要与定子磁链相对应,以保证系统的稳定性。

4 速度自适应定子磁链观测

线性动态系统可描述为以下状态方程

式中:[x],[u],[y]分别为系统状态变量、输入与输出向量;[A],[B],[C]为系统状态矩阵。

如果系统输入向量[u]为已知,则有可能重建系统状态变量[x],通过测量系统的输出向量[y],卢恩伯格状态观测器如图5所示。图5中[L]为增益矩阵。

式(5)的系统状态变量、输入与输出向量为

图5 卢恩伯格状态观测系统Fig.5 Luenberger state observer system

输入与输出矩阵被定义为

为了减少计算量,式(11)中引入一阶离散输入矩阵形式。

图6为ASFO离散状态观测系统,其中Z-1代表一个单位延迟,与为[][]矩阵。

其中,[L]是增益矩阵,定义为

图6 ASFO离散方块原理框图Fig.6 Block diagram of ASFO discrete block scheme

所需位置的观测极点可以得出以下特征值

它对应于二阶方程

图7 电机的离散根轨迹模型Fig.7 Root locus of the discrete motor model

5 实验结果及其分析

本文对以10 kW双三相异步电动机DTC控制进行实验研究。控制器为1套六相IGBT所构成,其逆变器开关额定频率为10 kHz,逆变器直流母线电压为120V。

双三相异步电机的DTC控制要通过两次测控来证明其暂态性能,第1次测控时,额定转矩为(50 N◦m)如图8所示,定子磁链与定子电流分量图的暂态响应体现在图8中。得出的实际转矩在阶跃之后与额定转矩值一致(同为50N◦m)。

图8 额定转矩驱动阶跃响应仿真图Fig.8 Rated torque step drive response simulation

第2次测控时,每个三角波的速度(额定)参考值为-500～500 r/min,在驱动器的暂态响应方面,与转子 ωr同步的(d,q)定子电流s与其定子磁链 Ψs的图形如图9所示。图9中在(d,q)同步参考系中定子电流不能够解耦。因此q轴电流分量的暂态(转矩变化的结果之前)会影响到d轴电流分量。定子磁链通过电流调节器保持其参考值不发生变化。最后计算定子磁链,并限制参考额定转矩,使双三相异步电机运行的转速达到安全稳定。2次测控方法保证了电流环稳定,降低了转矩和磁链的脉动,有效的消除静差,获得了理想的暂态响应性能。

图9 参考三角波调速响应仿真图Fig.9 Triangular relerence speed driver response simulation

6 结论

本文分析了双三相异步电动机的驱动方法。提出了PWM-DCT对其控制产生的优化方案,可以使PI调节器对定子磁场实施同步控制,逆变器开关频率可以达到恒定,通过建模10 kW双三相异步电机对其仿真得到了电机相电流为正弦波形,提高了其稳定性并有效地降低了脉动,可使驱动方案达到优化目的。

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[5] 李山,肖蕙蕙.基于预测控制的双三相异步电机直接转矩控制策略[J].电机与控制应用,2008,35(10):31-32.

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修改稿日期:2010-09-08